Коллаборация учёных, работающих в рамках эксперимента OPERA, подвела итоги многолетнего эксперимента по поиску редких превращений нейтрино. Научная статья опубликована в журнале Physical Review Letters.
Поясним, что всего известно три типа этих частиц: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Они отличаются тем, какая частица образуется при взаимодействии нейтрино с материей (соответственно электрон, мюон и тау-лептон).
Учёные давно знают, что нейтрино могут спонтанно менять свой тип. Это явление известно как нейтринные осцилляции. За его экспериментальное подтверждение в 2015 году была присуждена Нобелевская премия по физике. Однако некоторые детали этого процесса долго оставались за кадром.
Например, физики не знали, способно ли мюонное нейтрино превратиться в тау-нейтрино. Экспериментаторы не обнаруживали таких превращений. Это могло говорить о том, что они очень редки или же что их вообще не существует.
Разобраться в вопросе и был призван эксперимент OPERA. Установка, расположенная в Женеве, производила мюонные нейтрино, а детектор, находящийся в 730 километрах от неё в Гран-Сассо, их регистрировал. Точнее, он фиксировал частицы, которые появлялись из-за взаимодействия нейтрино с веществом (уже упомянутые электроны, мюоны и тау-лептоны). Детекторы OPERA имеют возможность фиксировать все три вида частиц, и в этом их уникальность.
Предварительные эксперименты, проведённые на рубеже тысячелетий, показали, что регистрируемых мюонов слишком мало по сравнению с числом производимых мюонных нейтрино. Физики предположили, что последние по пути к детектору успевают превратиться в нейтрино другого типа. Поскольку число регистрируемых электронов не превышало ожидаемого, учёные сделали вывод, что мюонные нейтрино превращаются в основном не в электронные, а в тау-нейтрино. Однако, чтобы говорить об этом с уверенностью, требовалось прямое наблюдение процесса.
С 2012 по 2015 годы было обнаружено четыре таких превращения. А всего на сегодняшний день обнаружено десять превращений или, как предпочитают выражаться осторожные физики, "событий-кандидатов с чрезвычайно высоким уровнем значимости". Дело в том, что тау-нейтрино – вообще очень редкая частица. Она и открыта-то была лишь в 2000 году.
Как уточняется в пресс-релизе, теперь можно считать доказанным, что превращения мюонных нейтрино в тау-нейтрино действительно существуют. Такого результата удалось добиться благодаря применению новой стратегии обработки данных к результатам измерений, накопленным за 2008–2012 годы, когда и производились измерения. Последующие годы ушли на обработку результатов.
Но эксперимент OPERA важен не только в связи с открытием этого вида нейтринных осцилляций. Физики до сих пор не знают, равна ли нулю масса нейтрино. Данные, собранные в эксперименте, сузили диапазон возможных значений, которые может иметь эта величина. Это поможет теоретикам отбросить одни модели и даст дополнительный аргумент в пользу других.
Также физики впервые напрямую измерили лептонное число тау-нейтрино. Эта величина влияет на то, в какие реакции частица вступает с другими частицами. Это имеет значение и для изучения самих нейтрино, и для использования их в качестве "зондов" при исследовании других частиц.
Важно также, что не только результаты, но и "сырые" данные эксперимента теперь выложены на всеобщее обозрение. Их можно найти на портале открытых данных CERN. Он был создан в 2014 году и до сих пор публиковал только данные, полученные на Большом адронном коллайдере.
Наконец, технологии, разработанные для эксперимента, уже сослужили человечеству хорошую службу в самых разных областях. Отметим, что так всегда бывает с крупными экспериментальными исследованиями, и это один из ответов на вопрос, зачем практичному человечеству финансировать фундаментальную науку.
Например, созданные для исследователей технологии ядерной фотоэмульсии ныне применяются во многих сферах, начиная от лечения рака и заканчивая недавним сканированием пирамиды Хеопса. С их помощью определяют структуру горных ледников, ищут тёмную материю и занимаются многими другими интересными вещами.
Напомним, что "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) не впервые рассказывают об изучении нейтрино. Например, мы писали о любопытном эксперименте, призванном выяснить, являются ли эти частицы собственными античастицами.
